CN115110107B - 光电磁协同催化反应用流动型电解池及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光电磁协同催化反应用流动型电解池及应用，具体涉及光电催化反应设备的技术领域。该流动型电解池包括阴极室、阳极室和磁场发生器；阴极室和阳极室相连通；阴极室和阳极室之间设置有质子交换膜；磁场发生器设置于阴极室的外壁上。本发明提供的光电磁协同催化反应用流动型电解池，在阴极室的外壁上设置有磁场发生器，利用磁场与离子的电流正交作用(即洛伦兹力)产生的流体对流，提高光电催化过程的质量传输以及反应的选择性，提高反应效率，提高电解产物的产量，高效的将光能和电能转化为化学能，提高转化效率。
Description
技术领域
本发明涉及光电催化反应设备的技术领域，尤其是涉及一种光电磁协同催化反应用流动型电解池及应用。
背景技术
光电催化反应是指光辐照与电解液接触的半导体表面所产生的光生电子－空穴对被半导体/电解液结的电场所分离后与溶液中离子进行的氧化还原反应。光电催化反应是一种特殊的催化反应类型，可以将光能直接转化为化学能，常用半导体材料作为光电极，起光吸收和催化的作用。根据半导体种类不同，可分为光电阳极和光电阴极。其中n型半导体是富电子的，有利于催化氧化反应，常被用作光阳极；P型半导体是富空穴型，有利于催化还原反应，常被用作光阴极。搭建光电催化反应系统时，催化剂被涂布在导电玻璃或者自支撑基底上制备光电极，并浸泡在相应的电解液中实现光电催化反应。
光电催化反应的选择性不仅取决于催化剂的本征反应活性，还取决于反应物向催化剂的传输(即质量传输)，但目前光电催化反应体系中受物质传输的限制易产生浓差极化。目前在光电催化反应中促进质量传输的方法多依赖于机械搅拌或使用气体扩散电极，然而此两种方法并不能完全消除高电流密度下浓度极化。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种光电磁协同催化反应用流动型电解池，以缓解现有技术的光电催化反应中高电流密度下浓度极化的技术问题。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
本发明第一方面提供了一种光电磁协同催化反应用流动型电解池，包括阴极室、阳极室和磁场发生器；
所述阴极室和所述阳极室相连通；
所述阴极室和所述阳极室之间设置有质子交换膜；
所述磁场发生器设置于所述阴极室的外壁上。
进一步地，所述磁场发生器主要由通电线圈、变阻器和电源构成。
进一步地，所述磁场发生器设置于所述阳极室的外壁上。
进一步地，所述阴极室的外壁设置有光窗口，所述光窗口处设置有透光板。
进一步地，所述阳极室的组件之间设置有对电极，所述对电极包括铂电极或碳棒。
进一步地，所述阴极室设置有参比电极，所述参比电极包括银-氯化银电极或饱和甘汞电极。
进一步地，所述阴极室内设置有气体室，所述气体室设置有进气口和出气口。
进一步地，所述阴极室和所述气体室之间设置有工作电极。
优选地，所述工作电极为负载型电极。
优选地，所述负载型电极包括玻碳电极或导电玻璃。
进一步地，所述工作电极上包覆有催化剂层，光窗口正对催化剂层。
本发明第二方面提供了所述的光电磁协同催化反应用流动型电解池在光电催化反应中的应用。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：
本发明提供的光电磁协同催化反应用流动型电解池，在阴极室的外壁上设置有磁场发生器，利用磁场与离子的电流正交作用(即洛伦兹力)产生的流体对流，提高光电催化过程的质量传输以及反应的选择性，提高反应效率，提高电解产物的产量，高效的将光能和电能转化为化学能，提高转化效率。
本发明提供的流动型电解池的应用，为电解领域提供了高效的电解装置，使电解过程中的光催化过程高效进行，通过设置磁场，提高了装置的传质效率，同时提高了电解效果，适合大规模推广使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例提供的光电磁协同催化反应用流动型电解池。
图标：100-阳极室；110-对电极；200-阴极室；210-工作电极；220-参比电极；300-磁场发生器；400-质子交换膜。
具体实施方式
下面将结合实施方式和实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施方式和实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
参加图1所示，本发明实施例提供了一种光电磁协同催化反应用流动型电解池，包括阴极室200、阳极室100和磁场发生器300，所述阴极室200和所述阳极室100相连通，所述阴极室200和所述阳极室100之间设置有质子交换膜400，所述磁场发生器300设置于所述阴极室200的外壁上。
现有技术中，阴极室内的气体传质过程是先溶解至阴极电解质中，然后扩散至涂覆有催化剂的工作电极的表面，由于气体在电解质中的溶解度有限，使得当反应速率即电流密度增大至一定限度时，传质过程成为了反应的速控步骤，阻碍了反应速率的进一步提高。
本发明提供的光电磁协同催化反应用流动型电解池，在阴极室的外壁上设置有磁场发生器，利用磁场与离子的电流正交作用(即洛伦兹力)产生的流体对流，提高光电催化过程的质量传输以及反应的选择性，提高反应效率，提高电解产物的产量，高效的将电能转化为化学能，提高转化效率。
本实施例采用的双室电解池的结构，阻止阴极室的还原产物扩散至对电极被氧化分解，同时避免阳极产物对阴极室的气体产物分析造成影响。
质子交换膜400阻隔阴极室200和阳极室100，并且为质子的迁移和输送提供通道，使得质子经过膜从阴极室到达阳极室，与外电路的电子转移构成回路。
在本实施例的一些实施方式中，所述磁场发生器300主要由通电线圈、变阻器和电源构成。
通电线圈均匀缠绕于阴极室200或阳极室100的外壁上，为阴极室200或阳极室100提供磁场，在磁场作用下，离子运动产生流体对流，消除高电流密度下的浓度极化。在具体实施过程中，根据需求选择阴极室添加磁场或者阴极室和阳极室共同添加磁场，在磁场设置时，磁场方向需要适应性调整。
在本实施例的一些实施方式中，通电线圈的高度略高于阴极室200或阳极室100中的电解液的液位高度，全方位的为阴极室200或阳极室100提供磁场。减少磁场强度不均带来的离子运动速率不同，而导致的浓度差异。
在本实施例的一些实施方式中，设置变阻器调节电流大小，进而影响磁场的强度和方向。
在本实施例的另一些实施方式中，磁场发生器300为磁铁或其他可以产生磁铁的器件代替，目的是产生磁场，促进离子运动减少浓度差异。
在本实施例的一些实施方式中，所述磁场发生器300设置于所述阳极室100的外壁上。
在本实施例的一些实施方式中，阴极室200和/或阳极室100设置外加搅拌促进传质作用。
在本实施例的一些实施方式中，阴极室200和/或阳极室100的形状典型但不限于长方体、正方体或圆柱。
在本实施例的一些实施方式中，所述阴极室200的外壁设置有光窗口，所述光窗口处设置有透光板。
电解池中阴极室200发生的反应为：气体吸附在工作电极210的催化剂表面，电解液中的电子和质子发生转移，吸附的气体分子被活化，发生键的断裂或新键的生成，得到新的产物，产物从催化剂表面脱附并扩散至电解质中。质子通过质子交换膜400进入阳极室100。
在本实施例的一些实施方式中，所述阳极室100的组件之间设置有对电极110，所述对电极110典型但不限于铂电极和/或碳棒，或者其他导电性良好的材料。
在本实施例的一些实施方式中，所述阴极室200设置有参比电极220，所述参比电极220典型但不限于为银-氯化银电极或饱和甘汞电极。
在本实施例的一些实施方式中，所述阴极室200内设置有工作电极210。
在本实施例的一些实施方式中，所述工作电极210为负载型电极。
在本实施例的一些实施方式中，所述负载型电极包括玻碳电极或导电玻璃。
本实施例的电解池采用三电极体系。工作电极和对电极组成电流回路，主要用来检测工作电极上的极化电流，从而研究电极上发生的电化学反应过程，为了减小对电极极化对工作电极的影响，对电极常选用表面积远大于工作电极的网状电极，典型但不限于铂网电极。工作电极和参比电极组成电位回路。
参比电极是良好的可逆电极，具有电势稳定和重现性好的特点，其上基本无电流通过，接近理想不极化的电极，用来确定工作电极电位。参比电极通过内管、盐桥和鲁金毛细管与工作电极接触，参比电极的鲁金毛细管尖咀与待测电极距离过远，会产生严重的电解液欧姆电位降，距离过近又会产生明显的屏蔽作用，在本实施例的一些实施方式中，工作电极和参比电极之间的距离一般为鲁金毛细管直径的2倍左右。采用三电极电解池体系研究电化学反应可以准确得到工作电极上的阴极电流密度和反应电位。
在本实施例的一些实施方式中，三电极外接电化学工作站。
在本实施例的一些实施方式中，所述阴极室200和所述阳极室100内填充有电解质。
在本实施例的一些实施方式中，所述阴极室200内设置有进气口和出气口。
在本实施例的一些实施方式中，进气口设置有流量调节阀，用于调节进气流量。
在本实施例的一些实施方式中，进气口和出气口用于反应气体的输入与输出，也可用于惰性气体的进入和排出。在电化学反应开始前，向阴极室的电解液中通入高纯氮气或其他惰性气体去除电解液中溶解的氧等杂质气体，确保反应产物的纯净。
在本实施例的一些实施方式中，所述工作电极上包覆有催化剂层，光窗口正对催化剂层。
阴极室200内的气体在工作电极210上，在催化剂的作用下接受电子，发生反应，催化剂层的比表面积、粒径、粒间距和负载量影响反应的进度。催化剂层的具体设置方法根据发生的反应和催化剂的自身属性有关，本实施例不作限制。
本发明实施例所述的光电磁协同催化反应用流动型电解池应用在光电催化反应中。
本发明提供的流动型电解池的应用，为电解领域提供了高效的电解装置，使电解过程中的光催化过程高效进行，通过设置磁场，提高了装置的传质效率，同时提高了电解效果，适合大规模推广使用。
最后应说明的是：以上各实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的范围。
Claims (2)
1.一种光电磁协同催化反应用流动型电解池，其特征在于，包括阴极室、阳极室和磁场发生器；
所述阴极室和所述阳极室相连通；
所述阴极室和所述阳极室之间设置有质子交换膜；
所述磁场发生器设置于所述阴极室的外壁上，所述磁场发生器主要由通电线圈、变阻器和电源构成；
所述磁场发生器设置于所述阳极室的外壁上，通电线圈的高度略高于阴极室或阳极室中的电解液的液位高度，全方位的为阴极室或阳极室提供磁场；
所述阴极室的外壁设置有光窗口，所述光窗口处设置有透光板；所述阴极室设置有进气口和出气口，进气口和出气口用于反应气体的输入与输出，也可用于惰性气体的进入和排出；所述阴极室设置有玻碳电极或导电玻璃作为工作电极，所述工作电极上包覆有催化剂层，光窗口正对催化剂层；
所述阳极室的组件之间设置有对电极，所述对电极包括铂电极或碳棒；
所述阴极室设置有参比电极，所述参比电极包括银-氯化银电极或饱和甘汞电极。
2.一种权利要求1所述的光电磁协同催化反应用流动型电解池在光电催化反应中的应用。
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